Первые звезды спустя десятки миллионов лет после рождения Вселенной
На крупных масштабах звездные скопления, галактики и другие структуры сливались вместе и образовали крупномасштабные структуры, которые мы наблюдаем сегодня. На малых масштабах поколения переработанного, выжженного звездного материала дали жизнь новым поколениям звезд. Эти последние поколения содержали 1—2% тяжелых элементов, некоторые из которых образовали твердые планеты. Часть этих планет, богатых фундаментальными ингредиентами жизни, сформировалась в потенциально обитаемых зонах своих звезд. Законы Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.
Вышеописанная картина сложена из нескольких основополагающих теорий и дает общие представление о формировании Вселенной на ранних этапах ее существования.
Приведу имеющиеся доказательства теории Большого взрыва:
• Наблюдения за далекими галактиками показывают, что они удаляются друг от друга с ускорением. Это можно объяснить только тем, что Вселенная расширяется.
• В 1964 году американские астрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон обнаружили в космосе электромагнитное излучение, которое имеет температуру около 2,7 Кельвина, и интерпретируется как реликтовое излучение, оставшееся от Большого взрыва.
• Исследования показывают, что водород и гелий составляют около 99% вещества Вселенной. Это согласуется с предсказаниями теории Большого взрыва, согласно которой Вселенная должна была образоваться из вещества, состоящего в основном из водорода и гелия.
Тайна Большого Взрыва связана с природой темной энергии и темной материи. Эти загадочные компоненты составляют большую часть Вселенной, но мы знаем о них крайне мало. Темная энергия ускоряет расширение Вселенной, в то время как темная материя влияет на гравитационное взаимодействие галактик.
Сам момент Большого Взрыва, когда плотность и температура были бесконечными, представляет собой точку t=0 во времени. Эта «бесконечность» – загадка, вызывающая споры и непонимание, ибо теории физики не могут адекватно описать состояние до того момента.
Как считают ученые, скорее всего, Большой взрыв случился в полной тишине. Затем, в период начального расширения Вселенной, звуковых волн тоже не было. В отличие от Земли, в космическом вакууме нет воздуха, поэтому звуковые волны не могут распространяться. Наверное, этим и объясняется то, то в космосе всегда какая-то странно-странная тишина. И только потом, когда скорость расширения снизилась и началось образование звезд, появились различия в плотности, которые и определили характеристики первого звука. По мнению астрономов, он напоминал шипение, которое постепенно усиливалось, а затем переросло в рокот.
Хотя есть и другая точка зрения. Якобы, из-за быстрого расширения Вселенной возникли акустические волны, которые называются «звуком Вселенной». Они стали основой для формирования структуры галактик.
На сегодняшний день теория Большого взрыва является наиболее популярной космологической моделью. Она объясняет многие наблюдаемые свойства Вселенной и хорошо согласуется с экспериментальными данными. Однако некоторые вопросы, связанные с теорией Большого взрыва, остаются нерешенными:
• Что было до Большого взрыва?
• Какая сила вызвала Большой взрыв?
• Почему Вселенная содержит такое количество атомов водорода и гелия?
Существуют еще и альтернативные теории происхождения Вселенной:
1. Теория циклической модели, утверждающая, что Вселенная существовала всегда и со временем лишь менялось ее состояние: она будет расширяться за счет темной энергии до тех пор, пока не приблизится к моменту «распада» самого пространства-времени, именуемого как Большой Разрыв. Прямо сейчас существует четыре различных варианта циклической модели Вселенной, одна из которых – конформная циклическая космология.
2. Теория стационарной Вселенной, согласно которой Вселенная существует вечно и не расширяется, то есть остается неизменной в любом месте и в любое время.
3. Теория пульсирующей Вселенной, предполагающая, что Вселенная периодически расширяется и сжимается.
4. Теория вечной инфляции. Понятие было введено космологом Аланом Гутом в 1979 году, чтобы объяснить, почему Вселенная плоская, чего не хватало в первоначальной теории Большого взрыва.
5. Теория плазменной Вселенной. Космология плазмы предполагает, что электромагнитные силы и плазма играют очень важную роль во Вселенной вместо гравитации. Хотя у этого подхода много разных вариантов, основная идея остается той же: каждое астрономическое тело, включая Солнце, звезды и галактики, является результатом какого-либо электрического процесса.
6. Мультивселенная теория, которая предполагает, что наша Вселенная – всего лишь одна из множества параллельных Вселенных, образующих мультивселенную структуру.
7. Теория струн, согласно которой основными элементами Вселенной являются не точечные частицы, а вибрирующие струны, создающие все частицы и силы.
Однако эти альтернативные теории были в основном отвергнуты научным сообществом в пользу Большого взрыва после открытия космического микроволнового фона.
Несмотря на то, что эти и другие модели отвечают на ряд вопросов, ответы на которые не может дать теория Большого Взрыва, в том числе проблема космологической сингулярности, всё же в комплекте с инфляционной теорией Большой Взрыв более цельно объясняет возникновение Вселенной, а также сходится с множеством наблюдений. Вопрос происхождения Вселенной – одно из самых захватывающих исследовательских направлений в науке, поэтому новые эксперименты и наблюдения позволяют уточнять и расширять наши представления об этом.
Что ж, Вселенная – это удивительное и загадочное место, полное необычных и грандиозных структур. Одна из таких структур – огромный пузырь галактик, который был недавно обнаружен астрономами.
Этот пузырь имеет диаметр в 1 миллиард световых лет, что в 10 000 раз больше, чем наш Млечный Путь. Он находится от нас на расстоянии около 820 миллионов световых лет, то есть в ближайшей части Вселенной. Астрономы дали ему имя Ho’oleilana, что на гавайском языке означает «посланные шепоты пробуждения». Это имя взято из гавайского творческого пения Kumulipo, которое описывает происхождение структуры и связано со звездами и луной. Что же такое этот пузырь и как он возник?
Ученые считают, что он может быть ископаемым остатком от Большого взрыва – события, породившего нашу Вселенную, которая в то время была очень горячей, плотной и почти однородной массой материи.
Огромный пузырь галактик
Но в этой материи были небольшие колебания плотности, вызванные гравитацией и излучением, которые создавали звуковые волны, называемые барионными акустическими осцилляциями – БАО.
Это периодические плотности газа и темной материи, которые распространялись по Вселенной в виде сферических оболочек, и оставили следы на космическом микроволновом фоне – реликтовом[15 - Объекты, которые образовывались только в начале эволюции Вселенной.] излучении от Большого взрыва, которое заполняет всю Вселенную.
Но БАО не только повлияли на космический микроволновый фон, но и на распределение галактик в Вселенной, которые образовались в местах, где была большая плотность материи, а значит, и большая гравитация[16 - Универсальное фундаментальное взаимодействие между материальными телами, обладающими массой.]. БАО создавали такие места, формируя сферические оболочки с повышенной плотностью на своих краях, в которых образовывались галактики.
Пузырь Ho’oleilana – пример такой сферической оболочки с галактиками на ее краях. Анализ данных показал, что галактики внутри пузыря движутся медленнее, чем галактики на его периферии. Это свидетельствует о том, что пузырь является динамически стабильной структурой, которая не разрушается под действием гравитации или других сил. Также было обнаружено, что галактики внутри пузыря имеют более низкую долю элементов тяжелее гелия, чем галактики на его краях. Это указывает на то, что пузырь является древней структурой, которая формировалась на ранних этапах эволюции Вселенной, когда звездообразование было менее интенсивным и производило менее тяжелые элементы.
Пузырь Ho’oleilana оказался уникальным объектом для изучения прошлого Вселенной, своеобразным фоссилом[17 - Остаток, след.] от Большого взрыва, который хранит в себе секреты нашего происхождения и будущего, и уникальной возможностью проверить теории о природе темной материи и темной энергии, которые определяют судьбу Вселенной.
Вглядываясь в космос, мы смотрим в прошлое. Например, если мы наблюдаем звезду на расстоянии 100 световых лет от нас, то свет, который мы видим сейчас, покинул эту звезду 100 лет назад. Или, замечая на небе яркий Юпитер, мы оглядываемся на час назад – именно столько требуется времени на то, чтобы свет от газового гиганта достиг Земли. Любуясь звездами, видимыми невооруженным глазом, мы наблюдаем их такими, какими они были от 10 до 100 лет назад.
Это же относится и к галактикам, квазарам, а также другим космическим объектам. Например, свет от галактики Андромеды, расположенной сравнительно «недалеко» от Млечного пути, – летит до Земли на протяжении долгих 2,5 млн лет. Так и реликтовое излучение позволяет земным ученым получить от совсем молодой Вселенной «весточку», в которой содержатся намеки на ее детство и юность.
Реликтовое излучение совсем молодой Вселенной
В настоящее время исследователи продолжают интенсивно изучать предполагаемые сценарии зарождения Вселенной, однако, дать неопровержимый ответ на вопрос, как она появилась, вряд ли удастся в ближайшем будущем. На это есть две причины: прямое доказательство космологических теорий практически невозможно, поскольку можно ссылаться лишь на косвенное. К тому же даже теоретически нет возможности получить точную информацию о мире до момента Большого Взрыва. По этим двум причинам ученым остается лишь выдвигать гипотезы и строить космологические модели, которыми максимально верно пытаются описывать природу наблюдаемой нами Вселенной.
И тому есть подтверждение. Свету, излучаемому группой древних галактик, потребовалось удивительно много времени, чтобы достичь космического телескопа «Джеймс Уэбб» в прошлом году. Астрономы подсчитали, что фотоны находились в пути более 13 млрд лет – почти всю историю космоса – прежде чем достигли орбитальной обсерватории.
Полученные результаты впечатляют с научной точки зрения и свидетельствуют о том, что Вселенная уже активно погрузилась в процесс звёздообразования спустя некоторое время после своего рождения. Мир астрономии был ошеломлён. Среди объектов, попавших в гигантское зеркало телескопа, есть один, который, как оказалось, является самой старой из известных галактик во Вселенной. Галактика с прозаическим названием JADES-GS-z13—0 появилась всего через 320 млн лет после Большого взрыва, задолго до образования нашей планеты. По сравнению с нашей галактикой она также оказалась крошечной, но при этом в ней явно рождались новые звёзды со скоростью, сравнимой с той, которой может похвастаться Млечный Путь.
Интересно, что подобная звёздная плодовитость характерна и для нескольких других древних галактик, сфотографированных «Уэббом». Эти снимки младенческой Вселенной показывают, что первые звёзды и галактики уже сформировались и начали эволюционировать гораздо раньше, чем предполагали многие учёные.
И несколько слов о скоплениях галактик – узлах «космической паутины», крупномасштабной структуры нашей Вселенной. Друг с другом эти узлы «связаны» галактическими нитями, а между ними простираются относительно пустые пространства. Известно, что эти скопления образовались из-за небольших перепадов в плотности первичной материи Вселенной, которые мы видим в реликтовом излучении.
Узлы «космической паутины» крупномасштабной структуры нашей Вселенной
Астрофизики обнаружили, что галактические нити крупномасштабной структуры Вселенной тянутся на сотни миллионов световых лет – и, как оказалось, вращаются, увлекая в движение все свои галактики.
Галактики, расположенные в нитях и узлах крупномасштабной сети темной материи, содержат больше тяжелых элементов и эволюционируют быстрее, чем галактики, оказавшиеся в одиночестве. На сегодняшний день можно сказать, что реликтовое излучение изучено неплохо, а значит, и галактические скопления, которые как кирпичики составляют фундаментальную основу Вселенной.
Ничто в космосе не находится в покое. Все движется и вращается: Земля, Солнце, Млечный Путь – а возможно, и вся Вселенная.
Если, подводя итог, облечь написанное в художественную форму, то вначале было Большое Взрывное танго материи, времени и пространства. По мере того, как мы вглядываемся в древние тайны рождения Вселенной, открывается поразительная картина: квантовый хаос, период инфляции, бушующие гравитационные волны, акустические эхо и глубокие загадки планковской эпохи…
Что ж, мы только начинаем постигать первые ноты этой космической симфонии, и каждое новое открытие приближает нас к пониманию того, откуда мы пришли и что еще может скрываться за гранью времени и пространства. В этом вечном стремлении к познанию наших корней лежит основа нашего удивления перед величеством и загадками рождения Вселенной.
Глава 3. Звёздные истории, написанные Вселенной
Образование первых звезд Вселенной
Под звездным сводом нашего неба затаились тайны и величие, олицетворяющие красоту и загадочность Вселенной. Звезды, созвездия и галактики – вечные путеводители человечества в недрах бесконечности – свидетельствуют о великой красоте космоса.
Звезды – искры великой симфонии вселенной, раскрывающие свои загадки под покровом ночного неба. Созвездия же, словно сказочные персонажи, завораживают нас своими формами и легендами, запечатленными в звёздах. А галактики представляются сияющими островами в безбрежности космоса и уносят нас в эпические путешествия сквозь миллиарды звездных систем. Они – вечные вопросы, на которые стоит искать ответы в бескрайних просторах небес. Так давайте же отправимся в это удивительное путешествие по звездам и их созвездиям в дальних галактиках, чтобы почувствовать магию и величие космического пространства.
Первые звезды, появившиеся во Вселенной, возникли примерно через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Их образование произошло в результате эволюции плотных облаков водорода и небольших следов гелия, которые начали формироваться после периода инфляции и постепенного остывания Вселенной.
Космические облака газа, содержащие в основном водород и немного гелия, подвергались гравитационному сжатию из-за неравномерности в распределении массы в пространстве. Постепенно эти облака газа стали сжиматься под собственным весом, увеличиваясь в плотности и температуре в центре.
Это привело к образованию плотных и горячих ядер, которые затем начали являться источниками ядерных реакций, особенно ядерных слияний водорода в гелий. Процесс ядерного слияния, происходящий внутри этих газовых шаров, создавал огромные количества энергии и тепла.
Это тепло и давление стимулировали возникновение первых ярких светил.
Процесс ядерного слияния, происходящий внутри этих газовых шаров
Они были намного массивнее и горячее, чем современные звезды, а их жизненный цикл – значительно короче. Первые звезды сыграли важную роль в развитии и структурировании ранней Вселенной, а также в процессе формирования элементов, из которых затем образовались новые звезды, планеты и другие космические структуры.
Их роль в эволюции Вселенной была колоссальной. Процессы ядерного синтеза внутри первых звезд позволили создать тяжелые элементы, такие как углерод, кислород, железо и другие, необходимые для формирования планет, астероидов и, в конечном итоге, жизни.
После завершения жизненного цикла первые звезды проходили через взрывные сверхновые[18 - Катастрофический коллапс ядра массивной звезды с полным разрушением окружающих его слоев.], выбрасывая в пространство эти новообразованные элементы, которые, собравшись в облаках газа и пыли, стали основой для формирования следующих поколений звезд и планетарных систем.
Таким образом, первые звезды играли ключевую роль в формировании и разнообразии элементов, из которых состоит Вселенная. Их важность в эволюции космоса трудно переоценить, поскольку они стали фундаментом для всего последующего разнообразия и комплексности космической структуры.
Образование первых галактик связано с эволюцией Вселенной после Большого взрыва. В первые моменты Вселенная была заполнена очень горячим и плотным супом из элементарных частиц, включая фотоны, нейтрино, электроны и протоны, что стало первым этапом образования галактик.
Первый этап образования галактик
Сначала после инфляции Вселенная была заполнена равномерно распределенными газом и темной материей[19 - Гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним.]. Эти маленькие неоднородности в распределении материи начали увеличиваться под воздействием гравитации, а плотные области – сжиматься, создавая условия для образования атомов водорода и образуя структуры, из которых затем формировались первые галактики. По мере того, как газовые и темные материи сливались, возникали более массивные облака, которые становились ядрами для образования галактик.
В связи с ростом этих облаков внутренние области становились более горячими и плотными, что стимулировало начало образования звезд и, в конечном итоге, формирование галактических структур.
Со временем эти первые галактики эволюционировали, подвергаясь столкновениям, слияниям и формированию новых звезд. Их структуры и формы изменились под воздействием гравитации и других процессов, создавая разнообразие галактических типов, которые мы видим сегодня в космосе.
Формирование галактик претерпело несколько этапов:
– Темные века. Между 380 000 и 500 000 лет после Большого Взрыва Вселенная достаточно охладилась, чтобы атомы водорода могли образоваться из свободных электронов и протонов. Это произошло благодаря процессу, известному как рекомбинация[20 - Образование нейтральных атомов и молекул из свободных электронов положительных атомных или молекулярных ионов.]. Это событие также ознаменовало окончание «темных веков», когда Вселенная была непрозрачной из-за ионизации.
– Гравитационное притяжение. После завершения рекомбинации, атомы водорода стали основным компонентом Вселенной. Под действием гравитации эти атомы начали объединяться в небольшие сгустки материи, которые стали первыми галактиками. Эти сгустки были около 100 миллионов световых лет[21 - По определению Международного астрономического союза (МАС) один световой год равен 9 460 730 472 580 800 метрам.] в диаметре и состояли из миллионов звезд.
– Формирование звезд. Со временем под действием гравитации эти сгустки стали сжиматься и образовывать звезды. Этот процесс называется звездообразованием. Они формировались в результате коллапса газовых облаков, которые «рождались» из сгустков материи.
– Эпоха реионизации[22 - Процесс в ранней Вселенной, при котором первые звёзды ионизировали нейтральный водород, заполнявший пространство.]. В процессе формирования звезд некоторые из них были достаточно горячими и массивными, чтобы взорваться как сверхновые. Когда это происходило, они выбрасывали в пространство большое количество тяжелых элементов, таких как кислород, железо и кремний. Эти элементы были необходимы для формирования более поздних поколений звезд и галактик.
– Слияние галактик. Со временем галактики начали взаимодействовать друг с другом, сливаться и образовывать более крупные структуры. Этот процесс продолжается и по сей день, и результатом его является то разнообразие галактик, которое мы наблюдаем сегодня.
– Активное звездообразование. В некоторых галактиках, особенно в тех, которые имеют высокую плотность звезд и газа, продолжается активное образование звезд. Это происходит благодаря гравитационному притяжению, которое приводит к коллапсу[23 - Процесс разрушения под влиянием системного кризиса.] газовых облаков и образованию новых звезд.
– Эволюция галактик. На протяжении миллиардов лет галактики эволюционировали, их звезды умирали, а на их месте образовывались новые. Этот процесс, известный как звездообразующий цикл, продолжается и сегодня, хотя и с меньшей интенсивностью, чем в прошлом.
В целом исследователи полагают, что количество галактик во Вселенной превышает два триллиона. При этом большинство галактик подпадают под четко определенные классификации и имеют либо спиральную форму, как Млечный путь, либо эллиптическую, линзообразную или неправильную форму. Рассмотрим типы галактик, которые встречаются на вселенских просторах.
– Спиральные галактики с выраженным центральным ядром, из которого выходят спиральные рукава. Они часто имеют диски, где формируются новые звезды.
Спиральные рукава являются одним из наиболее захватывающих явлений в галактических структурах. Эти длинные спиральные образования состоят из миллиардов звезд и звездных облаков, вращающихся вокруг центрального ядра галактики. Спиральные рукава являются местами интенсивного звездообразования и содержат некоторые из самых ярких и молодых звезд в галактике.
